Manual de Construcción Geotecnica - Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos (TOMO I)

Manual de Construcción Geotécnica

Fig. 5, Columnas de jet grouting en arcilla muy blanda

En general, al reducirse los huecos intersticiales el aire puede salir fácilmente, lo que no puede decirse del agua, ya que ésta lo hace mas lentamente, dependiendo de la permeabilidad hidráulica del medio. Puede decirse entonces que los suelos parcialmente saturados, pueden mejorarse “rápidamente” (compactarse) con la sola aplicación de una energía cinética, como la proporcionada por un equipo clásico de compactación, mientras que en los suelos saturados poco permeables, solamente podrán reducirse sus vacíos “lentamente” (consolidarse) al permitir la salida del agua intersticial, lo cual conlleva tiempo.

Fig. 6, Compactación dinámica

Fig. 7, Compactación en arena con ayuda de vibración

Los suelos granulares con pocos finos, que tienen un coeficiente de permeabilidad que permite la fácil salida del agua intersticial, podrán mejorarse (reducir sus vacíos) si se les

6

www.elsolucionario.org Introducción

aplica una energía cinética como la proporcionada por una gran masa que cae de gran altura, o bien aplicando vibraciones. Cuando los suelos son francamente impermeables y están saturados, la única forma de reducir sus vacíos, es provocando la salida del agua intersticial mediante la aplicación de una sobrecarga temporal, generalmente aplicada en la superficie, que estará actuando el tiempo necesario para tal propósito. Existen procedimientos para agilizar la salida del agua, mediante la instalación de drenes de arena, o bien drenes “mecha” que al tener una menor permeabilidad que la del medio que drenan, se convierten en “autopistas” que expeditan la expulsión del agua intersticial.

Fig. 8, Drenes “mecha” que agilizan la expulsión del agua intersticial

1.4 Inyecciones Este concepto implica precisamente infiltrar a presión un fluido en el medio térreo o pétreo, para obtener alguno o los dos objetivos siguientes: impermeabilizar o bien endurecer, el medio tratado. Para lograr tales objetivos el fluido inyectado fragua cuando se trata de lechadas de cemento o bien se endurece cuando se trata de productos químicos. En el proceso de inyección se “encaja” una “aguja hipodérmica” en el terreno, la cual según el material por inyectar puede adoptar diversas formas, desde una simple tubería con empaques, hasta una tubería doble, con preparaciones en forma de “manguitos” para inyectar zonas específicas del medio. Cuando el material por inyectar está formado por partículas muy finas de arcilla o limo, es prácticamente imposible que el fluido inyectado penetre en los vacíos de aquél, aunque para ello se apliquen presiones de inyección realmente importantes. En tal caso lo que sucede es

7


que el terreno se fractura (bronquea) y se forman pequeñas lentes que al llenarse con el material inyectado endurecido, lo refuerzan.

1.5 Control del agua en el suelo La extracción de agua del subsuelo, tiene en ingeniería civil varios objetivos principales: obtener agua para riego, para abastecimiento urbano, o bien simplemente para que no estorbe en el proceso constructivo de alguna obra civil, por ejemplo una excavación bajo el nivel freático. Las fórmulas utilizadas para el análisis de tales objetivos son las mismas, solo que en la extracción de agua para riego o para abastecimiento, lo deseado es el agua y el subproducto no deseado el abatimiento, mientras que en el proceso de excavación para una obra civil, lo deseado es el abatimiento, y lo no deseado es el agua obtenida. En el proceso constructivo, además de retirar el “estorbo” representado por el agua, puede ocurrir que por causa de alguna estratigrafía peculiar del sitio, se presenten desfavorables subpresiones, que induzcan inestabilidad en el fondo o en las paredes de la propia excavación y entonces la extracción del agua tiene el objeto adicional de reducirle su presión. En ocasiones, cuando en el proceso constructivo de una excavación, deben manejarse grandes caudales de agua freática por mucho tiempo, es aconsejable desde el punto de vista económico, utilizar una barrera de impermeabilización que mejore el resultado económico de la operación. Tales pantallas impermeables han sido utilizadas en la excavación de diques secos, cárcamos de bombeo cercanos al mar y también en la cimentación de las cortinas de materiales térreos o pétreos, que almacenan agua para riego, para centrales hidroeléctricas, o para suministro de agua potable.

Referencias Tamez, E., (1996), “Cincuenta años de geotecnia en ICA”, Memoria de la reunión conmemorativa “40 años de investigación y práctica en geotecnia”. Editada por Fundación ICA, el Instituto de Ingeniería y Solum del Grupo IC A, México. Zeevaert, L., (1972), “Foundation Engineering for Difficult Subsoil Conditions”, 2 nd Ed., Van Nostrand Reinhold, New York. Girault P., (1964), “A new type of pile foundation”, Congreso sobre cimientos profundos. Editado por la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, Méx ico.

8

2 Diseño de muros milán y tablestacas José A. Segovia Pacheco 2.1

Empujes laterales sobre muros milán o tablestacas

Cuando por razones de espacio en una construcción se hace necesario realizar excavaciones en las que es imposible el desarrollo de un talud y, además los cortes alcanzan pendientes que los ponen en peligro de estabilidad o bien porque existen estructuras superficiales que pueden ser dañadas o deben ser preservadas, se hace necesario algún tipo de estructura que soporte los empujes horizontales de la masa de suelo que será contenida. Diversos tipos de estructuras se han utilizado, muchas de ellas con la idea de que sean autosustentables o bien con ayuda de anclajes, muertos o puntales. Tablestacas o muros milán han sido diseñados para dar soporte a las excavaciones o taludes, usando materiales como la madera, el concreto, el acero, o bien, muros de concreto colados en zanjas llamados muros milán. Para el diseño de cualesquiera de las estructuras mencionadas, así como de sus elementos de soporte o apuntalamiento, es indispensable determinar las fuerzas ejercidas por el suelo contenido, así como las ejercidas por los efectos ambientales. 2.2

Teorías sobre empujes de tierra

El empuje de tierras es la fuerza por unidad de área que ejerce el suelo sobre un elemento estructural. Su valor depende de las propiedades físicas del suelo, de la interacción suelo – estructura en la interfase y de la magnitud y características de las deformaciones en el sistema suelo–estructura. suelo–estructura. Depende también de la naturaleza de la cual derive su resistencia el suelo, la cual varía de acuerdo a su relajación con el tiempo “creep”, así como de sus cambios físicos o químicos. A diferencia de los muros de contención de gravedad, los empujes de tierra sobre muros milán o tablestacas no depende del tipo de suelo, más bien son función de la interacción suelo–estructura y esta a su vez de los movimientos que se desarrollen entre ambos, por lo tanto el problema matemático es altamente indeterminado. Los estados de esfuerzos que se desarrollan dentro de la masa de suelo y que son de interés en el diseño de muros milán o tablestacas, son los estados: en reposo, activo y pasivo. El empuje de tierras sobre cualquier estructura de retención puede variar de un estado inicial de esfuerzos conocido como estado en reposo, K 0 0, a un estado límite mínimo como el activo, K a, o a un estado límite máximo como pasivo, K p. Los estados límite están determinados por la ley de resistencia al esfuerzo cortante del suelo, representados gráficamente en la Fig. 2.1 por el círculo de Mohr:

τ f = c + σn tan φ

(ec. 2.1)

11

The world’s largest digital library

Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.











































































Prólogo Desde tiempos remotos nuestros antecesores aprendieron, por observación de sus propia experiencia como constructores de obras civiles y militares, que era necesario prevenir o remediar el mal comportamiento de los suelos y las rocas como materiales de construcción. Como ejemplo notable tenemos el caso de los constructores aztecas quienes aprendieron a sobreelevar periódicamente sus templos y palacios para compensar los inevitables asentamientos por consolidación de las arcillas lacustres que forman el subsuelo del islote de Tenochtitlán, manteniéndolos así, durante largo tiempo, a un nivel superior al de las aguas aguas del lago para protegerlos de las inundaciones. Investigaciones arqueológicas recientes, parecen indicar que las seis sobreelevaciones del Templo Mayor Azteca fueron realizadas a intervalos aproximados de 30 años y que la altura de cada una de ellas no excedía de 3 m, lo que implica que comprendían que la vida útil de cada nuevo templo duraría un tiempo largo, después del cual tendrían que cubrirlo con otra nueva capa cuyo espesor, probablemente, estaba limitado por la inestabilidad del talud. Nuestra experiencia más notable de grandes asentamientos es el Palacio de Bellas Artes, el cual sufrió asentamientos del mismo orden de magnitud que los de cada etapa del Templo Mayor (2.5 m) m) en un período semejante (25 años). Es afortunado el hecho de que, en este caso, la desecación de los lagos no nos haya obligado a sobreelevar este magnífico monumento del México moderno. Sin embargo, ambos monumentos históricos tienen dos cosas en común: el desconocimiento de los constructores relativo a las propiedades geotécnicas de las arcillas, y su gran inteligencia y capacidad de observación del comportamiento de las cimentaciones que les permitió actuar en consecuencia y aplicar las medidas correctivas pertinentes. Hoy somos capaces de comprender el proceso de consolidación de las arcillas y de diseñar, planear y ejecutar procedimientos de inyección para el mejoramiento gradual y controlado de su compresibilidad, como se hizo en la Catedral Metropolitana de México, aprovechando, en parte, la valiosa experiencia empírica que los Ingenieros Alberto Barocio y Luis Alvarez, constructores de Bellas Artes, nos legaron. Ellos lograron lograron detener y revertir los asentamientos asentamientos diferenciales de la estructura inyectando inicialmente lechadas de cemento–cal y agua, y más tarde arena– cal–arcilla y agua, en etapas sucesivas, seguidas de la medición meticulosa de los resultados de cada etapa de inyección; estas mediciones les guiaron en el camino al éxito de su atrevida solución. Hoy diríamos que aplicaron inteligentemente el método observacional. Esta hazaña altamente altamente meritoria meritoria lo es aun más si si se considera que fue realizada antes de 1925, sin disponer de los conocimientos de la Mecánica de Suelos. El avance del conocimiento actual de la Geotecnia, iniciado con el advenimiento de la Mecánica de Suelos hace 77 años, ha fomentado, a nivel mundial, el desarrollo de métodos de construcción aplicados a prevenir o remediar el mal comportamiento de los suelos y las rocas como materiales de construcción en las obras de Ingeniería Civil. La descripción sintetizada y ordenada de estos métodos, incluyendo el análisis geotécnico aplicado al diseño, implementación y verificación de sus resultados por mediciones de control de campo, es el tema general de este libro titulado MANUAL DE CONSTRUCCION GEOTECNICA, cuya edición ha sido promovida y coordinada por la actual Mesa Directiva de nuestra Sociedad, con la participación de reconocidos especialistas en cada una de las áreas en que se ha dividido el libro, para su mejor desarrollo y congruencia de contenido y alcance.

www.elsolucionario.org

El libro cubre una amplia gama de métodos geotécnicos que va desde el empleo de muros colados in situ o tablaestacas, soportados por puntales o sistemas de anclaje, para contener la tierra, o el uso de anclas de acero o mallas de productos plásticos sintéticos para reforzar la masa de suelo o roca, hasta métodos de endurecimiento por inyección o mezclado de materiales cementantes que incrementan la resistencia al corte y disminuyen la compresibilidad; se incluyen también métodos para el control del agua en el suelo o roca, ya sea abatiendo el nivel freático por bombeo o sistemas de drenaje, o bien interceptando las filtraciones mediante pantallas impermeables flexibles o de inyecciones. Los diversos métodos geotécnicos contenidos en el libro están descritos en detalle tanto en sus aspectos constructivos como en los fundamentos analíticos del diseño, lo cual hace al Manual un libro de consulta muy útil para el Ingeniero Geotecnista, así como para el Ingeniero Civil de cualquiera otra especialidad de la profesión y para la comunidad estudiantil en el área de la Ingeniería Civil. Los autores responsables de las diferentes secciones del Manual señalan la importancia de la determinación confiable de la estratigrafía y propiedades mecánicas de los suelos o rocas, que deben ser obtenidas en los estudios geotécnicos previos del sitio; estos estudios son indispensables para definir claramente cada problema particular a resolver y elegir el método más apropiado a la solución de cada caso, antes de proceder al diseño y a la ejecución de los trabajos. La experiencia indica que el descuido en esta fase del proceso de las decisiones ha conducido, frecuentemente, a elegir una solución que no corresponde al problema real o bien a una solución subdiseñada. Es evidente que ninguna de las dos opciones es deseable. No cabe duda que la publicación de esta obra constituirá una gran aportación a la difusión, en idioma español, español, de la Geotecnia Aplicada, Aplicada, por lo cual debemos un merecido reconocimiento al esfuerzo de los coordinadores y de los autores que la realizaron.

Enrique Tamez González Septiembre de 2002

MANUAL DE CONSTRUCCION GEOTECNICA Lista de Autores Capítulo 1 Introducción

Capítulo 12 Jet grouting

Juan Jacobo Schmitter M.

Víctor Taboada U. Francisco J. Correa G. Roberto López Z.

Capítulo 2 Diseño de muros milán y tablestacas José A. Segovia P.

Capítulo 13 Compactación dinámica Roberto López Z. Axel Ramírez Ramírez R.

Capítulo 3 Muros milán Enrique Santoyo V. José A. Segovia P.

Capítulo 14 Precarga Gabriel Auvinet G. Juan Félix Rodríguez R. Axel Ramírez Ramírez R. Roberto López Z.

Capítulo 4 Tablestacas Walter I. Paniagua Z. José A. Segovia P.

Capítulo 5 Sistemas de anclaje en suelos

Capítulo 15 Métodos vibratorios Axel Ramírez Ramírez R. Roberto López Z. Walter I. Paniagua Z.

Efraín Ovando S. Ernesto Holguín

Capítulo 6 Tierra armada

Capítulo 16 Vibrocompactación

Alejandrina Guerrero Guerrero

Roberto López Z. Axel Ramírez Ramírez R.

Capítulo 7 Soil nailing Walter I. Paniagua Z.

Capítulo 17 Inyecciones en roca Sergio Herrera C.

Capítulo 8 Geosintéticos Rafael Morales y Monroy

Capítulo 18 Inyecciones en aluviones

Capítulo 9 Inclusiones Juan Félix Rodríguez Gabriel Auvinet G.

Capítulo 10 Vibrosustitución

Sergio Herrera C.

Capítulo 19 Inyecciones por fracturamiento hidráulico

Roberto López Z. Axel Ramírez Ramírez R.

Capítulo 11 Deep mixing Axel Ramírez Ramírez R. Roberto López Z. Juan I. Báez

Enrique Santoyo V.

Capítulo 20 Abatimiento del del nivel freático para la construcción Roberto Anzaldúa

Capítulo 21 Pantallas impermeables Raymundo Rincón V. Juan Paulín A.

Editor


MANUAL DE CONSTRUCCION GEOTECNICA Contenido Prólogo

i

1. INTRODUCCIÓN

1

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

2 4 5 7 8

Contención de excavaciones Refuerzo de suelos Mejoramiento masivo de suelos Inyecciones Control del agua en el suelo

Referencias

Parte I: Contención de excavaciones 2. DISEÑO DE MUROS MILAN Y TABLESTACAS

11

2.1 2.2

11 11

2.3

2.4

2.5

Empujes laterales sobre muros milán o tablestacas Teorías sobre empujes de tierra 2.2.1 Estado de empujes en reposo 2.2.2 Estado de empujes activo 2.2.3 Estado de empujes pasivo 2.2.4 Relación entre coeficientes de empuje 2.2.5 Desplazamiento horizontal 2.2.6 Fricción o adherencia contra el muro o ademe Cálculo de los empujes laterales 2.3.1 Antecedentes 2.3.2 Teoría de Ranking 2.3.3 Teoría de Coulomb 2.3.4 Teoría de la espiral logarítmica 2.3.5 Empujes laterales en suelos cohesivo-friccionantes 2.3.6 Excavaciones sin soporte 2.3.7 Sobrecargas y otras acciones Diseño de muros tablestaca 2.4.1 Diseño de muros en cantilever 2.4.2 Tablestacas ancladas 2.4.3 Tablestacas doblemente ancladas 2.4.4 Estabilidad general 2.4.5 Diseño de anclajes Diseño de muros milán 2.5.1 Control de flujo de agua 2.5.2 Sistemas de apuntalamiento 2.5.3 Diagramas aparentes de presiones 2.5.4 Falla de fondo de la excavación

15

27

43

2.6

2.7 2.8

2.5.5 Falla por pateo Diseño estructural 2.6.1 Modelos con resortes 2.6.2 Modelos de elemento finito 2.6.3 Comparación de modelos Estimación de deformaciones Diseño de estructuras celulares

48

51 52

3. MUROS MILÁN

57

3.1 3.2

57 58

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

3.8

Introducción Antecedentes históricos 3.2.1 Desarrollo de la tecnología 3.2.2 Experiencias en México Procedimientos de construcción adoptados en México 3.3.1 Aspectos generales 3.3.2 Soluciones adoptadas 3.3.3 Construcción del muro colado en el lugar 3.3.4 Construcción del muro con avance modular 3.3.5 Construcción del muro con avance continuo Estabilidad Estabilidad general y local de la zanja 3.4.1 Generalidades 3.4.2 Mecanismo de falla en arcillas 3.4.3 Adaptación del criterio noruego 3.4.4 Muros de prueba 3.4.5 Mecanismo de falla en arenas 3.4.6 Estabilidad local y fracturamiento hidráulico 3.4.7 Metodología del análisis de estabilidad Características Características de los lodos estabilizadores estabilizadores 3.5.1 Definiciones 3.5.2 Tipos de lodos 3.5.3 Propiedades significativas de los lodos 3.5.4 Dosificación de los lodos 3.5.5 Aditivos y fibras 3.5.6 Elaboración de lodos 3.5.7 Control de los lodos Operación de los lodos 3.6.1 Condición general de estabilidad general 3.6.2 Ejemplo de aplicación 3.6.3 Introducción de piezas precoladas Metodología del análisis de estabilidad 3.7.1 Secuencia del análisis 3.7.2 Información geotécnica necesaria 3.7.3 Evaluación de las condiciones de construcción 3.7.4 Condición de falla general 3.7.5 Condición de falla local 3.7.6 Fracturamiento hidráulico 3.7.7 Selección del fluido estabilizador Zanjas guía y brocales 3.8.1 Definiciones 3.8.2 Brocal de concreto reforzado

60

66

81

97

105

110

3.9

3.10

3.11

3.12

3.13

3.14

3.15

3.16

3.8.3 Brocal de estructura metálica Equipo de excavación 3.9.1 Generalidades 3.9.2 Retroexcavadora 3.9.3 Almejas mecánicas de caída libre 3.9.4 Almejas hidráulicas de caída libre 3.9.5 Perforadoras de circulación inversa 3.9.6 Excavadora con cuchara de corte 3.9.7 Almejas hidráulicas guiadas con kelly 3.9.8 Hidrofresa Control de la excavación de zanjas 3.10.1 Generalidades 3.10.2 Ciclos de rendimiento de excavación 3.10.3 Pérdida de la verticalidad 3.10.4 Dimensiones y geometría usuales 3.10.5 Limpieza del fondo Junta de colado 3.11.1 Generalidades 3.11.2 Tipos de junta 3.11.3 Colocación de la junta 3.11.4 Fuerzas de adherencia 3.11.5 Reducción de la adherencia 3.11.6 Extracción de la junta Acero de refuerzo, manejo y colocación 3.12.1 Conceptos básicos 3.12.2 Refuerzo para muros de ademe temporal 3.12.3 Refuerzo para muros estructurales 3.12.4 Izado, unión y descenso del acero de refuerzo 3.12.5 Centradores del refuerzo 3.12.6 Postensado de muros Colado con tubo tremie 3.13.1 Generalidades 3.13.2 Características del tubo tremie 3.13.3 Operación del tubo tremie 3.13.4 Fallas comunes con el tremie 3.13.5 Colado con bomba Resistencia y fluidez del concreto 3.14.1 Restricciones básicas 3.14.2 Materiales empleados 3.14.3 Aditivos químicos 3.14.4 Concretos autocompactables autocompactables Impermeabilización Impermeabilización de muros 3.15.1 Vías de penetración 3.15.2 Impermeabilización Impermeabilización de las juntas 3.15.3 Técnicas de impermeabilización impermeabilización de las juntas 3.15.4 Impermeabilización Impermeabilización del concreto 3.15.5 Membranas impermeables impermeables Reducción de la fricción negativa 3.16.1 Generalidades 3.16.2 Estimación de la fricción negativa 3.16.3 Membranas y placas de baja fricción 3.16.4 Inyección de agua

113

132

134

157

163

177

180

184


3.17

3.18

Supervisión e instrumentación de control 3.17.1 Alcance 3.17.2 Proceso constructivo 3.17.3 Aparatos para el control 3.17.4 Inclinómetros 3.17.5 Plomadas electrónicas 3.17.6 Líneas de colimación Casos prácticos 3.18.1 Torre JV, ciudad de Puebla 3.18.2 Alcantarilla en una autopista

191

195

Referencias

4. TABLESTACAS

203

4.1 4.2 4.3 4.4

203 205 206 212

4.5 4.6

4.7

Introducción Tablestacas de madera Tablestacas de concreto Tablestacas de acero 4.4.1 Generalidades 4.4.2 Secciones típicas 4.4.3 Equipos de hincado 4.4.4 Métodos de hincado 4.4.5 Guías de hincado 4.4.6 Perfiles planos 4.4.7 Corrosión Muros Berlín Pilas secantes 4.6.1 Perforación 4.6.2 Acero de refuerzo y concreto 4.6.3 Factores que influyen en la selección de la técnica Casos prácticos 4.7.1 Torre Latinoamericana, ciudad de México 4.7.2 Hotel Holiday Inn Express, ciudad de Puebla 4.7.3 Planta de bombeo, Gran Canal 4.7.4 Protección marginal, Río Coatzacoalcos

218 221

226

Referencias

Parte II: Refuerzo de suelos 5. SISTEMAS DE ANCLAJE EN SUELOS

237

5.1

237

5.2

Introducción 5.1.1 Aspectos generales 5.1.2 Aplicaciones típicas de anclas Descripción de los sistemas de anclaje

246

5.3

5.4

5.5

5.6

5.2.1 Partes constitutivas de un ancla 5.2.2 Clasificación Clasificación general 5.2.3 Sistemas de anclaje en suelos blandos 5.2.4 Sistemas para refuerzo interno Información básica de diseño 5.3.1 Estudio topográfico 5.3.2 Estudio geotécnico Análisis y diseño 5.4.1 Modos de falla 5.4.2 Secuencia de cálculo para diseño 5.4.3 Análisis y diseño diseño de los elementos elementos componentes de un ancla Aspectos de construcción 5.5.1 Procedimientos constructivos 5.5.2 Protección contra corrosión Pruebas de carga 5.6.1 Consideraciones generales 5.6.2 Pruebas de carga simple 5.6.3 Pruebas de funcionamiento 5.6.4 Pruebas de deformación diferida 5.6.5 Criterios de aceptación

261

264

282

293

Reconocimientos Referencias Anexo 5.A.1 Estimación de la capacidad de un ancla 5.A.1.1 Consideraciones generales 5.A.1.2 Anclas con bulbo recto embebido en roca 5.A.1.3 Capacidad de anclas en suelos granulares 5.A.1.4 Capacidad de anclas en suelos cohesivos 5.A.1.4 Comentarios finales Anexo 5.A.2 Envolventes de presiones presiones para diseño de muros flexibles o tablestacados anclados 5.A.2.1 Aspectos teóricos básicos 5.A.2.2 Envolventes de presiones para diseño 5.A.2.3 Envolvente de empujes para arenas 5.A.2.4 Envolvente para arcillas duras fisuradas 5. A.2.5 Envolvente para arcillas de consistencia media a suave Anexo 5.A.3 Análisis Análisis de estabilidad estabilidad general Anexo 5.A.4 Aspectos Aspectos reglamentarios reglamentarios para el Distrito Distrito Federal

302

311

317 321

6. TIERRA ARMADA

323

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

323 324 325 330 331 334

Antecedentes históricos Principio de la tierra armada Métodos de diseño de estructuras de tierra armada Elementos que integran la tierra armada Proceso constructivo Aplicaciones

7. SOIL NAILING

337

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

337 339 340 341 343 344

7.7

Introducción Tecnología, procedimiento constructivo y componentes Interacción suelo-ancla Criterios de aplicación Consideraciones de diseño Métodos de diseño 7.6.1 Métodos de equilibrio límite 7.6.2 Métodos de esfuerzos de trabajo Caso práctico

351

Referencias

8. GEOSINTÉTICOS

353

8.1 8.2

353 353

8.3

8.4

8.5

8.6 8.7

8.8

Introducción Conceptos generales 8.2.1Taludes 8.2.2 Refuerzo de terraplenes o terraplenes reforzados 8.2.3 Orientación del refuerzo 8.2.4 Selección del refuerzo 8.2.5 Refuerzo secundario 8.2.6 Control de erosión superficial Gráficas para diseño preliminar de taludes y terraplenes sobre suelos con adecuada capacidad de carga 8.3.1 Principales suposiciones 8.3.2 Cálculo del ángulo de fricción para diseño 8.3.3 Ayudas de diseño 8.3.4 Ejemplo de diseño Análisis de estabilidad para pendientes pronunciadas y terraplenes sobre suelos con adecuada capacidad de carga 8.4.1 Análisis de cuña 8.4.2 Análisis de falla circular 8.4.3 Estabilidad externa de una masa de suelo reforzada, sobre un suelo con adecuada capacidad de carga (FHWA) Análisis de estabilidad estabilidad y asentamientos asentamientos de terraplenes terraplenes sobre suelos con baja capacidad de carga 8.5.1 Falla por capacidad de carga 8.5.2 Estabilidad global 8.5.3 Deslizamiento lateral del terraplén 8.5.4 Asentamientos del terraplén 8.5.5 Selección de resistencias de diseño permisibles, a largo plazo 8.5.6 Consideraciones adicionales 8.5.7 Otras aplicaciones Exploración y selección de parámetros de diseño Propiedades del refuerzo de diseño 8.7.1 Carga de diseño permisible, a largo plazo 8.7.2 Coeficiente de interacción del esfuerzo cortante (Ci) 8.7.3 Resistencia por adherencia (Cg) Casos prácticos

358

370

378

388 389

382


Referencias Simbología

9. INCLUSIONES

403

9.1.

404

9.2.

9.3.

9.4.

Tipos de inclusiones 9.1.1 Pilotes de fricción negativa 9.1.2 Inclusiones de acero 9.1.3 Columnas balastadas 9.1.4 Columnas de cal-cemento mezcladas in situ 9.1.5 Micropilotes 9.1.6 Inclusiones de mortero envueltas en geotextil 9.1.7 “Jet grouting” Conceptos básicos 9.2.1 Esfuerzos en una inclusión y en la interfaz interfaz inclusión-suelo inclusión-suelo 9.2.2 Esfuerzos y deformaciones deformaciones inducidas por la presencia de inclusiones en un medio continuo 9.2.3 Cálculo de los asentamientos 9.2.4 Análisis en condiciones límite 9.2.5 Resistencia estructural Modelado numérico y analítico de inclusiones 9.3.1 Modelado numérico 9.3.2 Modelado analítico simplificado Aplicaciones 9.4.1 Pilotes de fricción negativa 9.4.2 Cimentación del puente Rion-Antirion (Grecia)

411

418

431

Referencias

10. VIBROSUSTITUCIÓN 10. VIBROSUSTITUCIÓN

447

10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6

447 448 453 454 455 456

Fundamento teórico Modelos de cálculo Rango de suelos Diseño Predicción de la densificación Descripción de la técnica 10.6.1 Vibrosustitución por vía húmeda 10.6.2 Vibrosustitución por vía seca o vibrodesplazamiento vibrodesplazamiento 10.7 Material de relleno 10.8 Verificación del mejoramiento 10.9 Comparación entre vibrocompactación vibrocompactación y vibrosustitución vibrosustitución 10.10 Aplicación Referencias

459 460 460 462

11. DEEP MIXING

469

11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9

469 471 474 475 476 477 478 484 488

Agentes cementantes Procedimiento constructivo Equipo Limitaciones Limitacione s Aplicaciones Factores que influyen en las propiedades del suelo cemento Propiedades de suelos estabilizados estabilizados Diseño Control

Referencias

12. JET GROUTING

493

12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 12.9 12.10

493 493 494 496 498 499 500 502 502 504

Introducción Objetivo del método Sistemas de jet grouting Consideraciones de diseño y construcción Descripción del equipo Materiales de inyección Procedimiento constructivo Aplicaciones Ventajas Casos prácticos

Referencias

Parte III: Mejoramiento masivo de suelos 13. COMPACTACIÓN DINÁMICA

509

13.1 13.2 13.3 13.4 13.5

511 512 513 515 516

Suelo granular Suelo cohesivo Rango de suelos Profundidad de diseño Control de calidad

Referencias

14. PRECARGA

517

14.1 14.2

517 517

Introducción Tipos de precarga 14.2.1 Precarga simple

14.3

14.4

Modelado analítico 14.3.1 Consideraciones básicas 14.3.2 Efecto del remoldeo 14.3.3 Medio estratificado Aplicaciones

529

535

Referencias

15. MÉTODOS VIBRATORIOS

543

12.1 12.2

543 545

Vibrador de fondo Probetas vibratorias

Referencias

16. VIBROCOMPACTACIÓN 16. VIBROCOMPACTACIÓN

549

16.1 16.2

551 553

16.3 16.4 16.5 16.6

Rango de suelos Diseño 16.2.1 Diseño basándose en la experiencia 16.2.2 Diseño con base en pruebas in situ 16.2.3 Otras consideraciones Proceso de vibrocompactación vibrocompactación Verificación del mejoramiento mejoramiento Limitaciones Aplicación

557 558 558 559

Referencias

Parte IV: Inyecciones 17. INYECCIONES EN ROCA

563

17.1 17.2 17.3

563 563 564

17.4 17.5 17.6

Introducción Tipos de tratamiento Productos empleados en la inyección 17.3.1 Mezclas de inyección fabricadas con cemento 17.3.2 Materiales empleados empleados en la elaboración de mezclas de cemento 17.3.3 Propiedades de las mezclas elaboradas con cemento 17.3.4 Inyección de relleno 17.3.5 Inyección de contacto Presión de inyección Equipo utilizado para la fabricación de mezclas e inyección Diseño de tratamientos 17.6.4 Pruebas de inyección 17.6.5 Pantallas de impermeabilización impermeabilización

568 569 570


17.6.6 Tapetes de consolidación 17.7 Métodos y control del proceso de inyección 17.7.7 Método de inyección convencional 17.7.8 Método GIN (presión y volumen constante) constante) 17.8 Verificación del del tratamiento 17.9 Caso práctico

577

579 579

Referencias

18. INYECCIONES EN ALUVIONES

583

19. INYECCIONES POR FRACTURAMIENTO HIDRÁULICO

587

19.1 19.2

587 588

19.3

19.4 19.5

19.6

Introducción Conceptos básicos 19.2.1 Fracturamiento hidráulico 19.2.2 Estado de esfuerzos en la masa de suelo 19.2.3 Cambio histórico histórico de los esfuerzos 19.2.4 Efectos de la inyección a corto y largo plazo 19.2.5 Efecto futuro del hundimiento regional regional 19.2.6 Efecto teórico de la inyección 19.2.7 Inducción del fracturamiento hidráulico hidráulico en suelos 19.2.8 Orientación y propagación de las fracturas 19.2.9 Endurecimiento de la masa masa de arcilla 19.2.10 Información sobre la inyección de suelos Técnicas de inyección de suelos blandos 19.3.1 Modelos geométricos usuales usuales 19.3.2 Modelo geométrico geométrico TGC 19.3.3 Pruebas preliminares preliminares de inyección Características Características de los morteros 19.4.1 Conceptos básicos básicos Modelo numérico de la inyección 19.5.1 Alcance 19.5.2 Modelos analizados analizados 19.5.3 Influencia de la rigidez de las láminas láminas 19.5.4 Conclusiones Experiencias en casos 19.6.1 Palacio de las Bellas Artes 19.6.2 Un edificio en la orilla del lago

Reconocimientos Referencias

612

615 619

630

Parte V: Control del agua en el suelo 20. ABATIMIENTO 20. ABATIMIENTO DEL NIVEL FREÁTICO PARA LA CONSTRUCCIÓN

647

20.1 20.2

647 647

Introducción Flujo de agua en suelos 20.2.1 Ecuación de flujo establecido 20.2.2 Permeabilidad de diferentes suelos 20.2.3 Redes de flujo 20.3 Análisis de grupos de pozos 20.3.1 Red de flujo 20.3.2 Cálculo del gasto de diseño 20.3.3 Pozo equivalente 20.3.4 Flujo de agua hacia excavaciones 20.4 Exploración e instrumentación del sitio 20.4.1 Estudios previos 20.4.2 Exploración complementaria 20.4.3 Instrumentación 20.4.4 Ensayes de laboratorio 20.5 Pruebas de bombeo 20.5.1 Diseño de la prueba 20.5.2 Procedimiento de ejecución 20.5.3 Análisis de los resultados 20.6 Diseño del sistema de bombeo 20.6.1 Tipos de bombas usadas en excavaciones 20.6.2 Diagramas de operación de las bombas 20.6.3 Tuberías y arreglos de los equipos 20.7 Casos prácticos 20.7.1 Aplicación en arenas 20.7.2 Aplicación en arcillas

656

661

669

675

682

Reconocimientos Referencias Anexo 20.A.1 Estimación de la permeabilidad permeabilidad en los suelos suelos Anexo 20.A.2. Análisis Análisis de pozos aislados aislados

705 708

21. MUROS PANTALLA

713

21.1 21.2 21.3 21.4 21.5

713 714 717 718 719

Introducción Construcción Permeabilidad Permeabilidad de la barrera suelo-bentonita Compresibilidad Compresibilidad y resistencia Concretos plásticos 21.5.1 Composición 21.5.2 Resistencia 21.5.3 Permeabilidad

21.6 21.7

21.8

Control de calidad Bases contractuales 21.7.1 Justificaciones previas 21.7.2 Materiales 21.7.3 Equipos 21.7.4 Control de calidad 21.7.5 Descripción geotécnica del subsuelo 21.7.6 Procedimiento constructivo Casos históricos 21.8.1 Experiencias en México 21.8.2 Experiencias internacionales

Referencias

720 721

724


1 Introducción Juan Jacobo Schmitter Martín del Campo

En 1999, hace mas de tres años, un entusiasta grupo de geotecnistas con reconocida experiencia en la práctica profesional de las cimentaciones profundas, se dedicó a la encomiable tarea de actualizar el conocido “Manual de diseño y construcción de pilas y pilotes”, publicado por primera vez en 1983, por la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, y como fruto de esa tesonera labor, en el año 2000 salió a la luz el nuevo “Manual de cimentaciones profundas”. Durante la planeación inicial de la versión actualizada de dicho manual, varios miembros del grupo de trabajo que hizo posible realizarlo, propusieron añadirle nuevos capítulos relacionados con la construcción geotécnica, tales como los tablestacados, las pantallas impermeables, los muros “Milán”, y otros importantes procedimientos de la especialidad. Sin desconocer la eventual pertinencia que tienen tales temas dentro de las cimentaciones profundas, se juzgó conveniente elaborar un nuevo manual, ahora de “Construcción Geotécnica”, que agrupase todas las acciones y procedimientos constructivos utilizados para materializar Obras Civiles.

Fig. 1 Tablestaca metálica junto a pilotes tubulares

De esta manera y nuevamente gracias al entusiasta empuje de numerosos ingenieros geotecnistas de la práctica profesional, cuyos nombres han quedado registrados en este manual, se ha podido materializar esta obra escrita, cuya presentación de temas se realiza en cinco partes:

1


Parte I Parte II Parte III Parte IV Parte V

Contención de excavaciones Refuerzo de suelos Mejoramiento masivo de suelos Inyecciones Control del agua en el subsuelo

El objetivo de este manual es el de difundir las técnicas asociadas a los procedimientos constructivos englobados en los apartados anteriores, los cuales tienen como factor común, una importante componente geotécnica. Su contenido está dedicado principalmente a los ingenieros involucrados en la práctica profesional, pero también se ha pensado en los estudiantes de posgrado y de licenciatura, interesados en tales procedimientos. En el alcance que se contempla en los diversos temas tratados, se incluyen aspectos del diseño y de la construcción, los cuales se enriquecen con algunas experiencias recopiladas de la práctica.

1.1 Contención de excavaciones Como se sabe, prácticamente toda obra de ingeniería civil empieza por una excavación, sea para alojar su cimentación, o bien para propiamente construirla si es que ésta debe quedar por debajo de la superficie del terreno.

Fig. 2, Excavación profunda apuntalada

Cuando la obra se realiza en campo abierto, sin problemas de interferencia con instalaciones o estructuras vecinas, la excavación en talud es tradicionalmente una alternativa racional que puede ser aplicada con ventajas técnicas y económicas; sin embargo cuando lo anterior no es posible, es necesario “contener” las paredes de la excavación, tanto para proteger a los trabajadores como para conservar la estabilidad de las estructuras e instalaciones vecinas. Con relación a las excavaciones “en talud” en ambiente urbano, existe un interesante antecedente histórico en la Ciudad de México descrito por por el Profesor E. Tamez (1996), donde se menciona que al construir en 1964 el paso a desnivel de Tlaxcoaque, al sur de la

2

Introducción

céntrica avenida 20 de noviembre, se utilizaron con éxito escarpados taludes 0.5 a 1.0, para excavar a 7m de profundidad, los cuales fueron estabilizados exitosamente con bombeo electrosmótico. Este procedimiento de excavación en talud, fue repetido también con éxito en varias obras de la época, como la Torre insignia del conjunto habitacional NonoalcoTlatelolco, la Tesorería y el Palacio de Justicia. Otras experiencias que se realizaron en talud, no resultaron tan favorables como aquéllas y en consecuencia obligaron a los constructores a utilizar procedimientos formales para la contención de taludes, como los que se presentan en este manual. Desde los años 50’ son conocidas las aplicaciones de la tablestaca de madera tipo “Wakefield”, que utilizó el Dr. L. Zeevaert (1972) en sus obras de construcción, principalmente en la zona céntrica de la Ciudad de México, las cuales incluían un relevante sistema de apuntalamiento para garantizar la estabilidad de las paredes de la excavación. La tablestaca metálica, “Z” 0 “U”, también fue utilizada en los años 50’ para la estabilización de paredes en excavaciones de cárcamos de bombeo, asociados a la operación del Gran Canal del Desagüe de la Ciudad. Aplicando el concepto geométrico de un ensamble simple como el utilizado en la tablestaca de madera, se desarrolla también la tablestaca de concreto, la cual por su gran versatilidad se sigue utilizando con gran éxito hasta la fecha, en muchos procesos de excavación, principalmente en la Ciudad de México. En tales tablestacados de madera, acero y concreto, siempre ha sido necesario colocar “madrinas” y “puntales” para contrarrestar los empujes del terreno y estructuras vecinas, sin embargo en varias ocasiones la estabilidad del fondo no fue atendida y ello provocó notorios accidentes que obligaron a replantear los procedimientos constructivos de la excavación, para evitarla. A mitad de los años 60’, 60’ , cuando se empezó a materializar el largamente anhelado sueño de contar con un sistema Metropolitano de transporte masivo subterráneo para la Ciudad de México, surgieron dos procedimientos constructivos conceptuales: “en túnel” utilizando la incipiente experiencia de los escudos, que por entonces ya se habían aplicado en algunas obras menores de drenaje de la Ciudad y “en zanja”, tomando como ejemplo la experiencia extranjera de los “muros Milán”, M ilán”, desarrollada en suelos predominantemente arenosos de esa importante ciudad italiana que les da su nombre, y que ahora debía ser adaptada a los “difíciles” suelos arcillosos del entorno. A finales de los años 60’, la empresa Solum del Grupo ICA pone a prueba con éxito el concepto de estabilizar zanjas con lodo bentonítico en la arcilla de la Ciudad de México, las cuales fueron excavadas en su patio de maquinaria, ubicado en la colonia Agrícola Oriental (zona francamente lacustre, de subsuelo arcilloso). En un segundo experimento de mayor alcance, con ayuda de otras empresas de ICA se construyen varios muros “Milán” en otro predio de la misma colonia Agrícola Oriental y se efectúa una excavación somera entre ellos, para verificar la calidad del concreto colado bajo lodo bentonítico.

3

www.elsolucionario.org Manual de Construcción Geotécnica

La información práctica obtenida de tales experiencias permite iniciar la construcción de las primeras tres líneas del Metro de la Ciudad de México, con el procedimiento “en zanja”, que resultó más práctico de aplicar si se le compara con el procedimiento “en túnel”, ya que permitió establecer numerosos frentes de ataque, para beneficio del programa de construcción.

Fig. 3, Excavación en zanja para el metro de la ciudad de México, ademada con muros Milán

1.2 Refuerzo de suelos Esta segunda parte del manual se refiere al refuerzo que se efectúa en los suelos para mejorar su resistencia o para reducir su compresibilidad, utilizando para ello materiales fabricados por el hombre. Dado que los suelos y las rocas no tienen una apreciable resistencia a los esfuerzos de tensión (tracción), gran parte de este concepto de refuerzo implica introducir dentro de la masa térrea o pétrea, materiales “importados” que si cuentan con esa importante propiedad mecánica. Los anclajes sistemáticos del terreno, tanto en suelos como en rocas, permiten lograr esa cualidad de resistir tensiones. Bajo este concepto los elementos que se introducen al terreno son generalmente metálicos y también de resina con fibra de vidrio. Pueden instalarse sin aplicarles algún preesfuerzo previo (anclas pasivas) o bien aplicándoselo, (anclas activas). Cuando los elementos de tensión se instalan al mismo tiempo que se construye una estructura térrea, por ejemplo un terraplén, como ocurre en la tierra armada, se pueden tener taludes más escarpados, e inclusive verticales. Una relativamente reciente aplicación de refuerzo en suelos compresibles, para fines de reducir compresibilidad del terreno, consiste en instalar elementos verticales rígidos en el interior de la masa compresible, similares a pilotes, pero desconectados de la estructura que se cimenta en superficie. Este concepto denominado “inclusiones” tiene un primer ejemplo en los denominados pilotes “B” del Dr. Pablo Girault (1964), que permiten reducir la

4

Introducción

ocurrencia de asentamiento en los suelos compresibles que han sido reforzados por tales pilotes.

Fig. 4, Excavación anclada

En otras ocasiones el refuerzo se realiza al sustituir parte del suelo arcilloso poco competente, por material granular de mayor competencia, formándose columnas de grava, que al tiempo que refuerzan al terreno, agilizan su drenaje. También recientemente se han hecho columnas del suelo poco competente mezcladas con algún cementante “Deep mixing”, lo cual es otra forma de colocar inclusiones en el terreno. En ocasiones, se aprovecha la energía cinética del fluido inyectado (“Jet Grouting”), para destrozar y remezclar con lechada el terreno original, para formar columnas de suelo cemento, de mayor resistencia. Esta tecnología permite reforzar el terreno original poco competente, transformándolo en otro resistente gracias a las inclusiones formadas.

1.3 Mejoramiento masivo de suelos En esta tercera parte del manual, relativa al mejoramiento masivo de suelos, se busca aumentar su resistencia, reducir su compresibilidad y reducir su permeabilidad, lo cual se logra fundamentalmente reduciendo sus vacíos (huecos intersticiales). Este simple proceso de reducir vacíos distingue dos situaciones fundamentales: cuando los suelos están parcialmente saturados, o bien cuando están totalmente saturados. En el primer caso los huecos intersticiales tienen aire y agua, mientras que en el segundo caso solamente tienen agua.

5












































































© Copyright, México, 2002 Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, A.C. Valle de Bravo N° 19, 19, Col. Vergel de Coyoacán, Coyoacán, 14340 México, D.F., MEXICO Tel. + (52) (55) 5677-3730, Fax + (52) (55) 5679-3676 Página web: www.smms.org.mx Correo electrónico: [email protected] [email protected]

ISBN 968-5350-05-1 Prohibida la reproducción parcial o total de esta publicación, por cualquier medio, sin la previa autorización escrita de la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, A.C.














































































SOCIEDAD MEXICANA DE MECANICA DE SUELOS, A.C. CONSEJO DE HONOR Leonardo Zeevaert Wiechers Alfonso Rico Rodríguez Rodríguez † Enrique Tamez González Guillermo Springall Caram Edmundo Moreno Gómez Carlos Jesús Orozco y Orozco Luis Vieitez Utesa Gabriel Moreno Pecero Raúl López Roldán Raúl Flores Berrones Luis Miguel Aguirre Menchaca

CONSEJO CONSULTIVO Gabriel Auvinet Guichard Luis Bernardo Rodríguez González Raul Vicente Orozco Santoyo Alberto Jaime Jaime Paredes Mario Jorge Orozco Cruz

MESA DIRECTIVA 2001-2002 Presidente Juan Jacobo Schmitter M. del Campo Vicepresidente José Francisco Fernández Romero Secretaria Célica Chávez Jaimes Tesorero Roberto Avelar Cajiga Vocales Aarón Andrés Sámano Sámano Alvarez Aurelio Salazar Salazar Rodríguez











































































Manual de Construcción Geotecnica - Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos (TOMO I)

Recommend Documents